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东北大学硕士学位论文摘要 油气润滑系统及其在热轧平整机中应用的研究 摘要 随着工业自动化程度的快速提高，机械工业产品正朝着高速、高效、节能、 环保、自动化程度高和使用寿命长的方向发展，相应的对润滑设备及润滑方法也 提出了更高的要求。油气润滑正是满足这一需要而发展起来的一门新兴润滑技术。 油气润滑技术的出现，不仅实现了连续的、定量的、缓慢的、均匀的方式供油， 而且还克服了传统润滑方式的种种不足，特别是在轧机设备上较其它润滑方式有 着较明显的经济优势及较好的润滑效果。在发达国家，油气润滑技术以其高效、 节能、环保、自动化程度高、运行可靠等特点已成为最为先进的润滑方法，并大 量应用于众多的工业领域，而该技术目前在我国刚刚起步，正处于完善和发展阶 段。正是基于此种情况，本文在对国外技术研究、消化、吸收，并参考有关油气 润滑技术资料及现场实地调研的基础上，对油气润滑系统的机理、结构、应用设 计及应用效果进行了一系列的理论探索，这些研究对加速该技术的国产化及推动 我国润滑技术的发展都具有现实的理论意义和实际意义。 本文对油气润滑的原理、润滑机理进行了分析论证。从油气两相流的物理模 型、含气率、密度、粘度及油膜厚度等和润滑效果密切相关的参量上进行研究， 并在粘度及油膜厚度等参量上与单相流润滑进行了定量对比分析，得出结论：气 液两相流体润滑较单相流润滑具有更佳的润滑效果。 为方便于相关技术人员深入了解油气润滑系统中关键件的结构功能、分析故 障原因，并方便于厂家的优化设计及用户的现场维护，本文基于f l a s h 软件开发 平台，对油气润滑系统中的三个进口关键件一一递进式分配器、计量注油器及油 气分配器进行了工作原理的动画模拟分析。 本文针对实际工况并结合系统关键件的工作原理设计了五种不同的油气润滑 系统，并提出了油气润滑系统在实际应用中的设计方法及依据。 本文在针对轧机类串列轴承寿命短的普遍问题，提出了采用油气润滑方式， 并进行了平整机油气润滑系统的项目开发设计，获得了工业应用的成功，在实践 中证明了平整机轴承采用油气润滑方法的可行性及其设计的合理性。并通过应用 现场的大量实测数据，用m a t l a b 软件采用三次样条方法进行了数据拟合，得出 了影响平整机轴承使用寿命的各参量的关系曲线，通过曲线分析及理论计算，论 证了平整机轴承采用油气润滑方式较其它润滑方式具有较明显的应用优势。 关键词：油气润滑；平整机； 润滑机理；轴承 i i - 东北大学硕士学位论文 a b s t r a e t r e s e a r c ho fo i l - a i rl u b r i c a t i o ns y s t e ma n d a p p l i c a t i o ni nt h eh o ts k i np a s sm i l l a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a la u t o m a t i o n ，i n d u s t r i a lp r o d u c t sa r ed e v e l o p i n g t o w a r d sh i g hs p e e d 、h i g he f f i c i e n c y 、e n e r g y s a v i n g 、e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n 、h i g h a u t o m a t i c i t y 、l o n gp e r f o r m a n c el i f e ，t h a th a sp u tf o r w a r dh i g h e rr e q u e s tt ol u b r i c a t i n g e q u i p m e n ta n dl u b r i c a t i n gm e t h o d a san e wt e c h n i q u e ，t h ea p p e a r a n c eo fo i l - a i r l u b r i c a t i o nt e c h n o l o g yr e a l i z eo i ls u p p l yw i t hc o n t i n u o u s ，q u a n t i t a t i v e ，m o w , e v e n ，a n d i ta l s oo v e r c o m es h o r t c o m i n go ft r a d i t i o n a ll u b r i c a t i n gm e t h o d ，e s p e c i a l l ya p p l i e di n r o l l i n gm i l la s s e m b l y , i th a st h eb e t t e rl u b r i c a t i n gr e s u l ta n do b v i o u s l ye c o n o m i c p e r f o r m a n c et h a no t h e rl u b r i c a t i n gm e t h o d s i nt h ed e v e l o p e dc o u n t r i e s ，o i l - a i r l u b r i c a t i o nh a db e c o m et h eb e s ta d v a n c e dl u b r i c a t i n gm e t h o da n dh a db e e na p p l i e di n n u m e r o u si n d u s t r i a lf i e l ds u c c e s s f u l l y , h o w e v e r ，i no u rc o u n 仃y i ti ss t i l la ta ne a r l y s t a g eo fd e v e l o p m e n t i nt h i sp a p e r , t h em e c h a n i s m ，e f f e c ta n ds t r u c t u r eo fo i l - a i r l u b r i c a t i o ns y s t e mh a v eb e e ns t u d i e d t h er e s e a r c h e sh a v et h e o r e t i c a la n dr e a l i s t i c s i g n i f i c a n c e t o a c c e l e r a t i n gp r o d u c t i o nd o m e s t i c i z a t i o na n di m p r o v i n g n a t i o n a l l u b r i c a t i n gt e c h n i q u e t h i st h e s i sa n a l y z e dt h el u b r i c a t i n gm e c h a n i s ma n dt h ep r i n c i p l eo fo p e r a t i o no f o i l - a i rl u b r i c a t i o ns y s t e m t h ep h y s i c a lm o d e l ，e q u a t i o no fm o t i o n ，v o i df r a c t i o n ， d e n s i t y , v i s c o s i t ya n df i l mt h i c k n e s so fo i l - a i rt w o - p h a s ef l u i dh a sb e e ns t u d i e d ，a n d w ed r a wac o n c l u s i o nt h a t0 i l a i rl u b r i c a t i o ni sm o r ee f f e c t i v et h a nt h et r a d i t i o n a l l u b r i c a t i o n f o rt h ec o n v e n i e n c eo fu n d e r s t a n d i n gt h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no ft h ek e yp a r t s a n df a i l u r ea n a l y s i s ，t h et h e s i sd i dc a r t o o ns i m u l a t i o no ft h ep r i n c i p l eo fo p e r a t i o no f t h ek e yp a r t so nt h eb a s i so ff l a s hs o f t w a r e t h i st h e s i sd e s i g n e df i v et y p e so fo i l - a i rl u b r i c a t i o ns y s t e mi nt h el i g h to fa c t u a l o p e r a t i n gm o d e ，a n dp u tf o r w a r db a s i sa n dd e s i g nm e t h o d s h o r ts e r v i c el i f ei sag e n e r a lp r o b l e mo ft a n d e mr o l l e rb e a r i n gu s e di nt h eh o t s k i np a s sm i l l ，t h et h e s i sp r o p o s e do i l a i rl u b r i c a t i o nm e t h o da p p l y i n gt ot h er o l l e r b e a r i n g a n dt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fo i l - a i rl u b r i c a t i o ns y s t e mh a sb e e n c o m p l e t e d ，a n dt h i sl u b r i c a t i o ns y s t e mh a sb e e ns u c c e e di ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n b y - i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n dm a t l a bs i m u l a t i o na n a l y s i so fp a r a m e t e rw i t hi n f l u e n c i n g t h es e r v i c el i f eo fr o l l e rb e a r i n g t h et h e s i sp r o v e dt h a to i l - a i rl u b r i c a t i o nm e t h o dh a s r no b v i o u sa d v a n t a g et h a no t h e rl u b r i c a t i o nm e t h o df o rr o l l e rb e a r i n go ft h eh o ts k i n p a s sm i l l k e y w o r d s ：o i l - a i rl u b r i c a t i o n ；s k i np a s sm i l l ；l u b r i c a t i n gm e c h a n i s m ；r o l l e rb e a r i n g 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一n q - 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：关霆蚕 日 期：妒瞻寥日竹闫 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章堵论 第一章绪论 1 1 课题的背景及来源 随着2 1 世纪的到来，人类已步入了电气时代，工业自动化突飞猛进，各种智 能机械设备层出不穷。机械工业产品正朝着高速、重载、高效、节能、环保、自 动化程度高和使用寿命长的方向发展，特别是节约能源、走可持续发展的道路已 成为当今世界的主题。 目前世界每年消耗约1 5 亿吨汽油、柴油、喷漆燃料和重油，以及大量的天然 气和煤炭。世界能源总消耗的5 0 6 0 消费在各种数以万计的动力机械上。而这 些机械当前的能源有效利用率平均只有3 0 左右。据德国v o g e l p o h l 教授铡算，全 世界生产能源的l 3 到1 2 损失在摩擦磨损上。近年英国h p j o s t 教授指出，世界 消费能源的3 0 4 0 消耗在摩擦磨损上也就是说全世界每年约有相当于2 0 亿 吨石油的能源白白消费在摩擦磨损中。当然，这些摩擦磨损的一部分是可以节省 下来的。一些发达国家进行了大量的开发研究工作，根据1 9 6 6 年英国教育科学部 调研组提出的j o s t 报告指出，1 9 6 5 年英国工业部门由于搞好摩擦润滑，改进润滑 剂和机械摩擦润滑设计，改善润滑维护操作规程及管理制度，正确使用润滑剂机 械的摩擦润滑，每年节约能源价值约为2 0 0 0 万英镑，节约润滑剂价值约5 0 0 万英 镑。同时，出于搞好机械的摩擦润滑，提高了机械设备的效率和延长运转周期及 耐用寿命，所获得的经济效益达5 1 5 0 0 万英镑，而后于1 9 7 4 年再次调查研究测算 每年经济效益达8 7 2 3 0 万英镑n 1 。由此可见，搞好机械润滑所获得的经济效益是巨 大的。 我国能源产量和消耗量均列居世界第三，可见我国的能源及润滑油节约潜力 是巨大的，若按国外的经验推算，我国的节能潜力折算石油上千万吨，仅从改进 机械设备润滑，采用节能润滑技术，同时搞好机械设备的润滑维护，减少摩擦磨 损，提高机械效率，减少修理次数，延长耐用期限而间接获得的经济效益，引用 美国按直接节能价值的5 倍计算，则每年可能增加的经济效益约4 0 0 亿元。由此 可见，在我国正确地使用润滑剂和先进的润滑方法，进行机械设备的合理润滑并 以最大限度地减少摩擦阻力、降低机械磨损，节省动力能源和延长设备使用寿命 应倍受关注。1 。 2 0 0 4 年中国工程院举办了“润滑应用技术”工程科技论坛；中国钢铁i n 协 东北大学硕士学位论文第一章绪论 会冶金设备委员会召开了液压润滑年会；设备维修学会召开了第八届设备润滑与 液压学术年会：中国汽车工业学会燃料与润滑油分会召开了第十二届学术年会； 煤炭科学院召开了全国矿用油品研讨会；全国齿轮专业委员会也成立了齿轮润滑 油工作委员会。这些举动足以说明在我国润滑技术越来越受到重视，润滑技术将 有巨大的发展。 随着润滑行业的不断发展，目前我国应用较为广泛的润滑方式有稀油润滑、 干油润滑、油雾润滑。众所周知：稀油润滑结构复杂、设备占用空间大、安装及 维护不便、耗油量大、易造成浪费、污染周围介质( 水及乳化液) 、投入成本较高。 采用干油润滑时因润滑腊氧化又不能及时排出轴承座，在轴承座内易结为颗粒块 加捌滚子和轴承内、外圈的磨损，难以保证润滑效果，而且耗油量大，其油脂的 溢出又产生大量脏物难以处理而污染环境( 水及乳化液等) ，更换备件的费用及加 工费用较高“1 。而油雾润滑当前面临的难题有：环境污染、供油量难以控制、油液 粘度、管路布置受到限制、可靠性欠佳等h 1 。可以看到，传统的润滑方式问题种种， 已不能满足快速发展的工业需求。 正是在这样的背景下，油气润滑作为一种新型的润滑方式便应运而生了，它 是从液体润滑到气体润滑的过渡形式，但气体润滑的承载能力问题至今难以解决， 因此限制了其应用发展。油气润滑技术的出现，不仅实现了以其连续的、定量的、 缓慢的、均匀的方式供油，而且还克服了上述所有润滑方式的不足。在发达国家， 油气润滑技术已成为最为先进的润滑方法，并大量应用于众多的工业领域，但该 技术目前在我国刚刚起步，正处于发展阶段，本课题正是基于此种情况下提出的。 1 2 油气润滑技术的起源、目前现状及应用前景 1 9 世纪下半叶，有人曾经做过尝试，通过油泵将定量的润滑油打入机车的蒸 汽中，润滑油被蒸汽流带入汽缸，从而减少了汽缸和活塞间的磨损，这就是油气 润滑的雏形。上世纪6 0 年代，人们发现可以用压缩空气作为载体将润滑油输送到 润滑点，初步奠定了油气润滑技术的理论基础。油气润滑技术在我国的应用，首 先是在上世纪8 0 年代，宝钢、武钢等引进的轧机设备上配有的油气润滑系统。上 世纪9 0 年代中期，德国r e b s 集中润滑技术有限公司在中国合资创建了上海莱伯 斯润滑技术有限公司，开始在各个领域推广使用油气润滑技术“3 。该公司是目前国 内最大的油气润滑系统生产商，其产品( 如图1 1 所示) 主要应用在冶金设备中。 目前，油气润滑作为一种最先进的润滑方法，虽然处于发展和完善阶段，但 已显示了它的优越性： 1 。润滑效能高，大幅提高受润滑设备的寿命。 一2 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 1 德国r e b s 公司的产品 f i g 1 1r e b sp r o d u c tm a d ei ng e r m a n y 油气润滑的气液两相油膜大大提高了油膜的承载能力，减小了摩擦损失，两 相混合流体在轴承座内喷射时，不仅在速度高时能形成完整的气液两相膜，即使 在速度较低时，依然能够形成具有较强承载能力的气液两相膜，使作相对运动的 摩擦表面始终处于良好的工作状态 2 介质利用率高，消耗量低，高度节能。 采用油气润滑后由于计量准确，能够按儒定量供油，润滑剂的消耗量只相当 于油雾润滑的几分之一，干油润滑的几十分之一，稀油润滑的几十分之一。 3 大幅降低受润滑设备的运行和维护费用。 从大量资料和现场反馈的信息看：采用油气润滑后，受润滑设备的运行和维 护费用相应大幅降低，如：油脂采购费用、传动件更换及修理费用、备件采购及 储备费用、因设备故障导致停机带来的损失费用等等。 4 对油品粘度的适应性好。 油气润滑几乎不受油的粘度的限制，可以输送粘度值高达6 7 5 p a s 的油品。 因此，绝大多数适宜的油品都可采用，不仅是稀油、半流动干油，甚至是添加了 高比例固体颗粒的润滑剂都能顺利地供送至润滑点。另外，一般不须对油品进行 加热，即使是在北方寒冷地区也是如此。 5 油量计量准确。 系统通过定量注油元件可以实现对油量准确计量与供送，并且通过调节供油 频率能在极宽的范围内对油量进行调节。 6 新型环保类设备，对环境影响小。 一3 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 油气润滑是迄今为止耗油量最小的一种润滑方法，而且在输送过程中不会象 油雾润滑那样产生油雾对工人造成身体危害：油气润滑系统不仅可以做成消耗型 润滑系统，还能做成循环型润滑系统并实现零排放。 7 自动化程度高，监控手段完善。 油气润滑系统都配有自动控制系统，自动控制的实现可运用计算机、逻辑控 制电路板、单片机、大型的可用p l c ，先进的设备还配有可监视系统的其他部分， 并能完整显示系统的运行状态和故障信息等。 8 系统结构简单，运动部件少、运行可靠、维护蠹小。 此外，油气润滑对受润滑的设备的大小没有穰制，管道简洁且管道的布置不 受走向限制，无须专门的喷嘴汹1 。因此，相比其它润滑方式其优势十分明显。 油气润滑技术的应用是从一些工况恶劣的地方尤其是冶金设备开始的，比如 在高负荷及高速运行的各种类型的轧机及其附属设备的轴承( 如图1 2 所示) ，以 及在一些高温运行或受有化学侵蚀性流体危害的轴承中。 图1 2 油气润滑在高速线材轧机上的应用 f i g 1 2a p p l i c a t i o no f t h eo i l - a i rl u b r i c a t i o ns y s t e mi nh i g h s p e e dw i r em i l l 目前，油气润滑技术已应用于钢铁、造纸、采矿、水泥、冶金机械、矿山机 械、化工、机床、食品及润滑点远离油泵的场合一如：汽车组装线、报纸印刷线 等行业。在钢铁行业中，油气润滑技术最早应用于线棒材轧机、型钢轧枫精轧段 的侧边滚动导卫和入口导卫；近些年随着油气润滑技术的不断发展，现已开始应 用于高线滚动导卫、水平活套、立活套、中板矫直机、方坯连铸、高速电主轴轴 承、热轧矫直机、高炉卷扬机减速器齿轮、回转炉开式齿轮、高频砂轮轴的润滑， 并取得了显著的效果”。 从传动件的类型来看，油气润滑技术目前在国外不仅能用于滚动轴承和滑动 轴承，还在齿轮，尤其是在大型开式齿轮、蜗轮、蜗杆、滑动面、机车轮缘及轨 道链条等传动件上获得了广泛的应用”“1 。 在我国，油气润滑技术还处于起步阶段，其在设计、应用及推广等方面仍需大 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 量工作。故此，对该技术的研究将有着广阔的市场前景，尤其是在冶金行业。相 信随着该技术的国产化步伐加快，在不久的将来，油气润滑技术在国内一定会得到 广泛的应用。因此，本课题力求能够为加快该技术的国产化步伐起到积极的推动 作用。 1 3 课题的目的及意义 “历史上每一次科技的巨大进步都是由于那个时代的需要”，随着机械自动化 产品的不断提高，液压润滑行业的发展也必须与其它行业同步发展，以提高机械 设备的整机性能，避免“瓶颈效应”的产生，推动机械行业的全面发展进步。因 此，在我国重视加强润滑工作，提高润滑的现代化技术和管理水平，并积极改善 润滑设备，改进润滑方法有着极其重要的意义。 然而，综观目前国内润滑市场，油气润滑系统的研制刚刚起步，专业生产厂家 屈指可数，截止到目前查阅的文献及通过各种媒介所查询的信息可知，国内从事 油气润滑系统的主要单位有：上海莱伯斯公司、太原矿山润滑液压设备公司、上 海澳瑞特公司、上海威纳公司、上海安升公司、大连维乐液压件厂、大连海星油 气润滑厂，哈尔滨也有一家。其中多数为中外合资企业，可以说国外产品几乎垄 断了整个市场。即使一些公司改造了国外产品，但无论是在技术上，还是在产品 的外观质量上都与国外产品相差很大。“1 而购买国外产品其昂贵的价格也让一 般企业塑而却步，即使国内一些大企业有能力购买，但对其相关技术了解甚微， 只能依赖生产商的售后服务。同时，国外为进一步垄断其润滑市场的核心地位， 对其核心技术又是如此的保密。 正是基于此种情况，开展这方面的研究工作，不仅具有广阔的市场前景，而且 也具有较高的学术价值。我们将参照国内外相关的资料，将其消化、吸收并在其 基础上大胆创新，努力设计研发出无论在性能上，还是在价格上，都不逊于雷外 同类产品且又适合我国市场需求的系统，争取能早日实现该技术的国产化，发展 民族工业，以提高我国机械设备的整体装备水平l 1 4 课题研究的方法与途径 本课题的目标是设计开发出适合我国国情的、符合我国市场要求的油气润滑 系统，力争不仅要做到理论上可行，还要在实践中好用。即通过各种媒体和渠道 获取、查阅大量资料及文献，在归纳、吸收基础上力争创新，争取现场调研的机 会，了解应用现场实际情况，使研究更具方向性，使设计更加合理化，并在此基 础上针对实际工况做出系统设计，最终以实际应用效果及理论分析论证其可行性， 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 以理论来指导实践，在实践中来验证理论，走理论与实践相辅相成的道路，切实 开发设计出适合实际工况要求的油气润滑系统。 1 5 本论文的主要工作 本论文的研究工作主要包括以下几个部分； 1 油气润滑系统原理及其润滑机理的理论研究 从机理上对油气润滑的原理、润滑机理进行分析论证。在参考国内外气液两 相流的研究基础上，从油气管道中的油气两相流及润滑膜中的油气两相流两方面 进行研究探索，并在粘度及油膜厚度等参量上与单相流润滑进行了对比分析。 2 油气润滑系统中关键件工作原理的动面仿真 在对目前已在实际中应用的国内外油气润滑系统的各部分组成结构及其功能 进行大量研究的基础上，基于f l a s h 软件开发平台，对油气润滑系统的三个进口 关键件递进式分配器、计量注油器及油气分配器进行了工作原理的动画模拟分析。 3 油气润滑系统设计 针对不同的实际工况并结合系统关键元件的工作原理提出了五种油气润滑系 统设计原理，即设计了五种不同的油气润滑系统。并提出了各种油气润滑系统在 实际应用中的设计方法及依据。 4 针对热轧平整机的油气润滑系统设计及应用 针对轧机类串列轴承寿命短的问题提出了采用油气润滑方式，并进行了平整 机油气润滑系统的项目开发设计，在实践中证明平整机轴承采用油气润滑方法的 可行性及其设计的合理性。 5 油气润滑方式在热轧平整机轴承中应用的理论分析 通过对影响平整机轴承使用寿命的参量的理论计算与m a t l a b 拟含的曲线分 析中，论证平整机轴承采用油气润滑方式较其它润滑方式具有较好的润滑效果。 一6 一 东北大学硕士学位论文第二章气液两相流体润滑机理 第二章气液两相流体润滑机理 2 1 油气润滑技术的基本原理及特点 油气润滑也可称之为“气液两相流体冷却润滑密封技术”。它是将定量的润滑 剂定压、定时的喷入到高速连续流动的定压的压缩空气中，并在定长的管道中形 成紊流状的两相油气混合流，两相流中的油和压缩空气并不真正融合，也不雾化， 而是在压缩空气的高速流动作用下，润滑油沿管道内壁不断的螺旋状前进。起初， 由于润滑剂具有一定的粘度，加上离心力及附壁效应的影响以较大的颗粒里间断 状地粘附于管壁四周( 如图2 1 ) ；随后，油滴逐渐被吹散、变薄，并经过一定管 道长度后最终形成一层均匀的、连续的环状油膜，实现以精细韵、连续的、缓慢 的、均匀的、微量的油流方式喷到润滑点进行润滑”。 图2 1 油气两相混合示意图 f i g 2 1d i a g r a m m a t i cd r a w i n go fo i l a i rt w o p h a s em i x i n g 油气润滑系统中定量、定压、定时的润滑剂和定压的压缩空气及定长的管道 均可根据实际需求进行调节、控制。油气润滑系统中一定压力的压缩空气在各种 实际工况下主要起到如下作用。“1 ： 承担润滑剂的输送载体作用。 速度较高的连续气流经摩擦点可带走大量的摩擦热、起到冷却降温作用。 一定压力的压缩空气在轴承座内形成过压，阻止冷却水及污染物进入，有 效地起到密封作用。 高速流动的气体形成大量分散的空气小气泡混合于固体表面的润滑液中， 形成比单相膜具有较强承载能力的气液两相膜，两相流的粘度及厚度明显 提高，起到优良的减摩作用。 一些滚动轴承的转速很高，在滚珠周围形成空气边界层，一定压力的压缩 空气可使润滑剂形成射流，将空气边界层打破，即利用其产生的喷射作用 一7 一 末北大学硕士学位论文 第二章气注两柏流体润滑机理 实现润滑。 在油气润滑系统中，油气两相流在输送过程中形成的流型及在润滑承载区形 成的两相流体与润滑膜在很大程度上影响着润滑效果。因此开展这两方面的理论 与实验研究对油气润滑技术的发展有着重要意义。 2 2 气液两相环状流研究简介 在油气润滑系统中，油和压缩空气是经油气混合块混合后形成了油气两相流， 两相流在管道中的流动属于气液两相流中的环状流流动。因此，开展油气两相流 流动的理论及实验研究，必须以气液两相流中的环状流流动的理论与实验研究成 果为指导。进而探讨油气管道中形成及影响两相流流型的条件，并对两相环状流 特性参数做必要研究，以便为设计系统参数提供指导及理论依据。 2 2 1 国内气液两相环状流的研究情况 对于气液两相环状流流动的研究，国内见于报道的主要集中于西安交通大学 和哈尔滨工程大学，与本课题有关的主要研究成果在于流型转换和压降特性的研 究上。 西安交通大学的老师在以水和空气为介质的前提下，研究了水、气两相环状 流在u 型管中和转弯流动的流型“2 “”。获得如下结论： a 1 水、气两相环状流在向上流动转弯1 8 0 0 时，由于离心力作用，水被抛向上壁。 随着含气率的继续增加，最后进入雾状流。 b ) 水、气两相环状流在向下流动转弯1 8 0 0 时，由于离心力和浮力作用是一致的， 都要使气泡沿管子上壁流动，环状流与向上流动相同。 c 1 水、气两相环状流在向下流动转弯4 5 0 时，由于离心力和浮力的作用，在转弯 后，气泡集聚在管予上部，因此局部阻力也要增大。 林宗虎老师对水平t 型三通管中压降进行了计算与试验对比，指出三通管交 界处，主管与侧支管中的压力差是由两部分组成。一部分是由于流体由主管流入 侧支管时产生的局部阻力造成的，称为不可逆压降；另一部分是由于两相流体在 主管中和侧支管中流速变化引起压力变化造成的，由于这部分压力降是因流体动 能与压力能之间相互转换造成的，故称为可逆压力降。可逆压力降和不可逆压力 降均可采用两种方法来进行计算，即采用均相流动模型计算法和采用分相流动模 型计算法。当主管中气相质量含量大于等于1 5 时，按均相模型法计算主管与侧 支管中的压力差值更接近于试验值；当主管中气相质量含量小于1 5 时，用分相 模型法计算主管与侧支管中的压力差值更为准确”3 “。 一8 一 东北大学硕士学位论文第二章气液两相流体润滑机理 关于这方面的一些研究成果对于开展油气两相流在管道内的流型研究、油气 两相流分流时的压力损失研究都具有比较大的借鉴意义。 2 2 2 国外气液两相环状流的研究情况 在国外对以水和空气为介质的气液两相环状流的研究开展得比较早，取得了 很多成果，限于篇幅这里只介绍一些与课题相关的文献。 砒 l 豫 l 垂1 o t t 1 。0 1 0 1 。1 o i f 图2 2 空气、水两相环状流液膜厚沿管周方向分布 f i g 2 2d i s t r i b u t i o nm a p o fg a s l i q u i dt w o - p h a s e a n n u l a rf l o wl i q u i df i l ma l o n gt u b ec i r c l e 1 对气液两相环状流分界面形状的研究“”1 气液两相流分界面形状有无规律一直是研究的焦点，目前取得如下主要结论： 一9 一 羔苎查苎墨主兰堡垒叁一 苎三主墨塞苎塑鎏堡塑滑塑= 堡 一 十一干、k 冈硼桃俸嗣啊机理 a ) 对于不同的流型，气液两相分界面一般可用双波系统表示，即界面是由团块波 ( 大幅波) 和扰乱波( 小振幅波) 所组成，在团块波( 大幅波) 和扰乱波( 小 振幅波) 的表面上均有基波。 b ) 充分发展的扰乱波不仅具有恒定的速度，而且具有几乎相同的形状，团块波则 非常不稳定。 c ) 在高气速条件下，在气液界面上不存在扰乱波而只有涟波。 d ) 研究指出乱波发生的条件为气流中的液滴速度大于波速。 e ) 在同一气速和液速下，液体粘度越高，则乱波发生的几率越低。 2 对气液两榴环状流液膜沿管周方向分布的研究m 一一 气液两相流液膜沿管周方向的分布与管子的位置等因紊有关，水平管内“空 气- 水”两相环状流液膜沿管周方向分布如( 图2 2 ) 。 可以看到，随着气速的降低，重力作用更明显地影响液相在管周内的分布， 导致液相偏移、管底部的膜较厚。重力对水平或倾斜管内液膜沿管周方向分布的 影响不可忽略。液膜在水平或倾斜管内沿管周方向的分布具有沿o 。1 8 0 。直线对称 性。液相速度较小而气相速度较大时，膜厚沿管周分布差趋于减小。 j h - t - 山 隔 。也劁 ：忒 刘澎 多固 - ，心 - rp0 - i - r 口_ 图2 3 基膜厚度沿管周方向分布 f i g 2 3d i s t r i b u t i o no fb a s ef i l mt h i c k n e s sa l o n gt u b ec i r c l e i h a s jv 唪胡蕊 f 圆 ， - r r t _ 图2 4 基底波商沿管周方向分布 f i g 2 4d i s t r i b u t i o no fb a s ew a v eh e i g h ta l o n gt u b ec i r c l e 还有些资料给出了不同气速和液速实验条件下，e = o 。、o ；9 0 。和e ：1 8 0 。 时t 基膜厚度和基底波高精管周方向的分布如( 围2 3 ) 和( 图2 4 ) 。 1 0 一 东北大学硕士擘位论文第二章气液两相流体润滑机理 我们通过对国内外的气液两相环状流研究的分析中得出： 在两相环状流中，气流核心的高速和液膜分界面的波状是液滴被卷起并随气 流运动的原因。因此液滴的输送率将是气相和液相的质量流量的函数。 当两相流速很低时，两相分界面比较平滑，液膜则稳定地在壁面上移动。液 相速度增加到一定程度，液膜将由层流状态变为紊乱的湍流状态。在液膜湍流状 态下，液滴的输送比平滑的层流液膜时要多。 气相流速增加时，稳定平滑的液膜会变为波状液膜。开始是波纹状，在较高 的气相流速下，液体波变为不规则的波，接着变为密集波，或称涟波。随着气流 速度的增大，液滴输送率开始缓慢地增加，接着按线性规律增大，最后又缓慢下 来可见气速越高，气流中的液滴含量也越高。 但在油气两相流输送时，并不希望其产生很多的液滴输送，因此输送时的气 速并不是越大越好。这样在满足使用要求的同时，也可以节约能源。 以上这些对气液两相流的研究基础及结论为确定油气两相流的特性提供了理 论指导。在此基础上，课题对油气两相流进行了更详细的分析研究。 2 - 3 油气管道中的油气两相流 目前对油气两相流输送的研究还只是停留在理论的基础上。无论在国内还是 国夕 都极少有相关的实验报告。日本n s k 公司于1 9 9 4 年报道说，其公司在油气 润滑应用现场进行试验确认油气两相流的流动状态为环状流。 国内哈尔滨工程大学闰通海、何立东等人，对油气两相润滑技术进行了理论 与实验研究，也提出了一些观点。 油气润滑是用一股高压气流与极少量的油液混合，形成气液两相混合流体， 向机械摩擦部位输送，对做相对运动的固体壁面进行润滑和冷却降温。在两相流 体混合的过程中，油不被雾化而只形成油滴。因此，油和气不是一体，输送的动 力是空气的压力。 对于输送距离较长的油气两相流，可以认为是一种单纯的环状两相流动。所 谓单纯的环状气液两相流，是指四周均为液体、气流核心部分不夹带液滴或微小 的液粒，并且气液界面是光滑的。环状流动是气液两相流动中比较简单的一种流 动形式，对它的分析，主要是膜阻压降梯度、平均液膜厚度和空隙率( 截面含气 率) 等的计算，而这些计算对油气润滑系统中确定压缩空气的压力、流量等参数 至关重要。 2 3 1 压降梯度 东北大学硕士学位论文第二章气液两相流体润滑机理 在油气润滑中，压缩空气作为传送润滑剂的介质，最低要求是能把润滑剂输 送至润滑点，即油气两相流入口气相的压力应能克服油气两相流沿程的压力损失。 用公式表示为； p 肛 ( 2 。1 ) 式中：一一空气与润惜剂进行混合前韵空气入口压力 粤一一油气两相流的压力梯度 6 f 油气两相流的输送路径长度 在油气两相流的输送过程中，如果不计其它局部阻力，如合流压力损失、管 子变径和弯头压力损失等等，只考虑沿直管输送，则油气两相流的压力梯度可表 示为： 一史：一虹一亟一盟 ( 2 2 ) mm壤 d l 式中等号右边三项分别为摩擦、加速度和重力的压力梯度。 对于垂直输送的油气两相环状流，式( 2 2 ) 可借助于一些经验公式进行求解。 对于水平和倾斜的输送管道，针对不同的输送量和管道的不同布置，油气两相流 的压力梯度主要靠试验测定。 2 3 2 油膜层厚度 对于油气两相环状流，在忽略旋转运动的影响和不考虑管道截面变化的情况 下，油膜层的厚度可按下式计算他“： 式中：占油膜层的平均厚度，朋 卢，一一油液的动力粘度p 口s g ，一一泊液的质量流量，k g s m 一一油的密度，k g m d 管径，删 宰一沿管道的压降梯度 j = 一1 2 一 ( 2 3 ) 东北大学硕士学位论文 第二章气液两相流体润滑机理 2 3 3 截面含气率 知道了平均油膜层厚度艿，便可从下式计算出截面含气率( 空隙率) ”“